紀(jì)明濤

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司 下峪口煤礦,陜西 韓城 715400)

采煤機(jī)主要用在綜采工作面上,作用是對(duì)煤壁進(jìn)行截割,獲得煤炭資源,再利用其他機(jī)械裝備進(jìn)行收集并運(yùn)輸[1]。截割滾筒是采煤機(jī)中非常重要的結(jié)構(gòu)件,采煤機(jī)工作時(shí)就是利用滾筒對(duì)煤壁進(jìn)行截割,因此滾筒的機(jī)械結(jié)構(gòu)特征會(huì)在一定程度上影響煤壁的截割效率和質(zhì)量[2]。隨著我國(guó)煤礦領(lǐng)域技術(shù)水平的不斷發(fā)展與提升,對(duì)采煤機(jī)等裝備的綜合性能要求越來越高,在此背景下對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行深入分析與研究,進(jìn)而對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),對(duì)于提升采煤機(jī)設(shè)備性能具有重要的意義。李明昊等[3]以采煤機(jī)截割滾筒為研究對(duì)象,對(duì)螺旋滾筒的裝煤性能進(jìn)行了分析,并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)其性能開展優(yōu)化改進(jìn),通過實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)效果很好。宋佼佼[4]基于離散元法并利用有限元軟件對(duì)采煤機(jī)截割部的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析,為掌握采煤機(jī)截割滾筒的綜合性能奠定了很好的理論基礎(chǔ)?？梢?在采煤機(jī)滾筒方面,很多技術(shù)人員和學(xué)者開展了一定的研究[5]。但以上研究沒有涉及截齒安裝角度對(duì)截割滾動(dòng)性能的影響,而截齒安裝角度又是非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù),有必要進(jìn)行理論分析。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,利用有限元方法分析截齒安裝角度對(duì)滾筒綜合性能的影響,并對(duì)安裝角度進(jìn)行優(yōu)化,確保安裝角度最佳,設(shè)備性能最優(yōu)。對(duì)于促進(jìn)我國(guó)采煤機(jī)裝備設(shè)計(jì)能力提升具有一定的理論意義。

1 滾筒截割煤壁有限元模型的構(gòu)建

1.1 截齒安裝角度

截割頭旋轉(zhuǎn)軸線與齒座底面之間的夾角,稱為截齒的安裝角度(圖1)。圖1中θ角為截齒安裝角度,x方向和y方向分別為截割頭的旋轉(zhuǎn)軸線以及截割頭的母線方向,1為截齒實(shí)際運(yùn)行時(shí)的軌跡曲線。AD′為截齒的對(duì)稱中心線,其中D′為齒尖部位。ABCD平面為截齒齒座的底面位置,ABEF平面與x軸方向垂直,平面BDB′D′同時(shí)過截割頭的旋轉(zhuǎn)軸線x軸和截齒的齒尖D′。則BD與x軸之間的夾角即為安裝角度。

圖1 滾筒截齒安裝角度示意Fig.1 Schematic diagram of installation angle of drum pick

1.2 滾筒與煤壁模型建立

本文利用PFC軟件建立滾筒截割煤壁的有限元模型,但該軟件的三維造型能力有限,所以需要通過三維建模軟件構(gòu)建截割頭的三維模型,再導(dǎo)入PFC軟件中建立有限元模型[6],使用的三維軟件為UG。建模時(shí)一些關(guān)鍵參數(shù)如下:筒轂直徑、滾筒直徑、葉片直徑分別為590、1 250、1 100 mm,螺旋升角為20°。截齒可在UG軟件中直接生成,利用UG軟件建立的采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)的三維模型如圖2所示,主要包括截齒、葉片、筒轂、端盤等。螺旋葉片繞筒轂表面安裝,截齒通過齒座安裝在螺旋葉片的頂部區(qū)域,端盤對(duì)筒轂兩側(cè)進(jìn)行封裝。

圖2 采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)的三維模型Fig.2 3D model of shearer drum structure

為正確反映截齒與煤壁之間的接觸狀態(tài),需要對(duì)截齒材料屬性進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置。截齒主要包括齒尖、齒身和端盤等部分,不同部位功能不同,使用的材料存在差異。其中齒尖需要與煤巖發(fā)生直接接觸,對(duì)力學(xué)性能有較高要求,因此采用硬質(zhì)合金,其彈性模量和泊松比分別為650 GPa和0.22。齒身、端盤與煤巖之間的接觸稍微緩和,采用42CrMo材料,對(duì)應(yīng)的彈性模量和泊松比分別為200 GPa和0.3。

在PFC軟件中,首先利用Wall Generate命令獲得墻體模型,設(shè)置的墻體規(guī)格尺寸為1.6×0.8×1.7,再利用Ball Generate命令對(duì)生成的墻體進(jìn)行顆?；痆7]。煤壁的顆粒參數(shù)會(huì)影響最終模擬結(jié)果,本模型中設(shè)置的顆粒參數(shù)具體如下:顆粒密度、顆粒半徑、孔隙率分別為1 674、0.008、0.06,接觸模量、內(nèi)摩擦角、泊松比分別為11×109、34.66、0.25。以上物理參數(shù)均根據(jù)實(shí)際煤礦物料測(cè)定獲得,能夠真實(shí)反映實(shí)際情況。

1.3 模型的驗(yàn)證

為驗(yàn)證有限元模型的可行性,將滾筒旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為57 r/min,向煤壁方向的前進(jìn)速度設(shè)置為0.04 m/s。利用PFC軟件對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行分析計(jì)算后,利用后處理程序可以提取想要的結(jié)果。采煤機(jī)滾筒截齒與煤壁剛接觸時(shí)的情況如圖3所示,利用有限元模擬得到的結(jié)果與相關(guān)煤巖破碎理論基本吻合,驗(yàn)證了模型的可行性。

圖3 截齒與煤壁相接觸時(shí)的情況Fig.3 Condition of pick in contact with coal wall

從圖3(a)可以看出,該時(shí)刻截齒與煤壁剛開始接觸,接觸瞬間截齒以一定的力度撞擊煤巖,截齒尖部位置首先嵌入煤巖顆粒中,與煤巖顆粒發(fā)生接觸并產(chǎn)生接觸應(yīng)力。隨著滾筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn),截齒嵌入煤巖顆粒中的深度逐漸增加,與此同時(shí)截齒與顆粒之間的接觸應(yīng)力也慢慢增大。當(dāng)截齒與顆粒的接觸應(yīng)力超過煤巖顆粒之間的黏結(jié)力時(shí),意味著截齒對(duì)煤壁產(chǎn)生的截割力超過了材料的應(yīng)力極限,煤巖開始出現(xiàn)裂紋,隨后裂紋逐漸擴(kuò)展,如圖3(b)所示,最后煤巖顆粒之間的黏結(jié)現(xiàn)象完全被截齒破壞時(shí),顆粒從煤壁中離開并在重力作用下掉下。

有限元模型中不同時(shí)刻采煤機(jī)截割滾筒與煤壁之間的狀態(tài)如圖4所示。

圖4 不同時(shí)刻截割滾筒與煤壁之間的狀態(tài)Fig.4 State between cutting drum and coal wall at different times

由圖4可知,采煤機(jī)滾筒可以對(duì)煤壁進(jìn)行有效截割,隨著截割時(shí)間的延長(zhǎng),截割獲得的煤礦顆粒逐漸增多,該結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。綜上所述,利用PFC軟件建立的有限元模型可以有效描述滾筒與煤壁之間的關(guān)系,因此可以利用此模型來分析滾筒的性能。

2 不同截齒安裝角度時(shí)滾筒的受力與頻譜分析

截齒安裝角度是采煤機(jī)滾筒的重要結(jié)構(gòu)參數(shù),會(huì)對(duì)滾筒性能乃至采煤機(jī)性能產(chǎn)生重要影響,合理確定截齒安裝角度對(duì)于提升設(shè)備整體性能非常重要[8]。為確定最優(yōu)截齒安裝角度,在結(jié)合實(shí)踐數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,分析了5種安裝角度時(shí)滾筒截割時(shí)的受力情況,通過對(duì)比研究確定最優(yōu)值。5種截齒安裝角度分別為40°、42°、45°、47°和50°,分別按上述安裝角度構(gòu)建有限元模型,不同模型除上述參數(shù)不同外,其他參數(shù)完全相同。

2.1 滾筒受力分析與優(yōu)化

在PFC有限元軟件中完成模型的分析計(jì)算工作后,可以對(duì)不同截齒安裝角度的滾筒受力情況進(jìn)行提取分析。通過對(duì)不同模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)各種安裝角度的滾筒,截齒的受力變化趨勢(shì)整體相同。在截割剛開始的一段時(shí)間內(nèi),由于滾筒與煤壁之間的接觸不穩(wěn)定,所以截割力出現(xiàn)了較大的波動(dòng),到了截割后期,截割過程慢慢趨于穩(wěn)定,滾筒的受力也慢慢保持穩(wěn)定,出現(xiàn)周期性的波動(dòng)。滾筒受力出現(xiàn)周期性波動(dòng)的根本原因在于截齒與煤巖顆粒之間的接觸存在周期性波動(dòng),即截齒與顆粒開始接觸時(shí)受力相對(duì)較小,隨著截齒截割深度的不斷增加,受力逐漸增大,當(dāng)顆粒從煤壁上脫落后,截齒的受力將會(huì)減小,然后截齒繼續(xù)截割下一個(gè)顆粒,循環(huán)往復(fù)。統(tǒng)計(jì)了滾筒在X、Y、Z三個(gè)方向上的受力平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差,同時(shí)對(duì)滾筒總體受力平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行了分析。不同截齒安裝角度時(shí)滾筒的受力情況統(tǒng)計(jì)如圖5所示。

圖5 不同截齒安裝角度時(shí)滾筒的受力情況統(tǒng)計(jì)Fig.5 Statistics of the force on the drum at different pick installation angles

不同安裝角度時(shí)截齒受力標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)如圖6所示。需要說明的是,X方向受力指滾筒向煤壁方向前進(jìn)時(shí)的阻力,Y方向的阻力為滾筒側(cè)方承受的阻力,Z方向?yàn)闈L筒對(duì)煤壁進(jìn)行截割時(shí)的阻力,是滾筒最重要的阻力來源。

從圖6中可以看出,在其他工況條件完全相同的情況下,截齒安裝角度會(huì)對(duì)滾筒的受力情況產(chǎn)生一定程度的影響,包括X、Y、Z三個(gè)方向都有不同程度的影響。在X方向上,當(dāng)截齒安裝角度為50°時(shí),滾筒的受力最小,對(duì)應(yīng)的受力標(biāo)準(zhǔn)差值也最少。標(biāo)準(zhǔn)差是滾筒受力統(tǒng)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo),反映統(tǒng)計(jì)時(shí)間范圍內(nèi)滾筒受力的波動(dòng)情況。統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差越小,說明整個(gè)截割過程中滾筒的受力波動(dòng)越小,相反,標(biāo)準(zhǔn)差值越大則受力的波動(dòng)性越大。當(dāng)安裝角度為50°時(shí),滾筒X方向上的受力標(biāo)準(zhǔn)差最小,說明在該方向滾筒具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性。Y方向上,不同截齒安裝角度時(shí),滾筒的受力及其統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差均相差不大,說明截齒安裝角度對(duì)Y方向的受力影響不大。Y方向的受力為滾筒的側(cè)向壓力,側(cè)向壓力會(huì)導(dǎo)致截齒發(fā)生彎曲變形,當(dāng)壓力較大時(shí)可能導(dǎo)致截齒發(fā)生斷裂。不管安裝角度為多大時(shí),滾筒的側(cè)向壓力均相對(duì)較小,說明截齒工作時(shí)承受的彎曲變形較小,有利于保障截齒的正常使用。Z方向上,當(dāng)截齒安裝角度為50°時(shí),滾筒的受力及其統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)其他安裝角度要小。

結(jié)合圖中數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析不同截齒安裝角度時(shí),滾筒的平均受力及其統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差情況。發(fā)現(xiàn)當(dāng)截齒安裝角度為40°時(shí),滾筒整體受力及其標(biāo)準(zhǔn)差均最大,分別為4 600 N和7 719。當(dāng)安裝角為45°時(shí),滾筒受力平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到最小水平,分別為4 488 N和7 368,說明在此結(jié)構(gòu)條件下,滾筒受力最小,且受力過程最穩(wěn)定?；谝陨戏治鼋Y(jié)果,建議將截齒安裝角度設(shè)置為45°。

2.2 滾筒載荷頻譜分析

頻譜反映的是滾筒工作時(shí)的動(dòng)力學(xué)特征,描述的是滾筒的振動(dòng)狀態(tài),會(huì)在一定程度上影響滾筒的運(yùn)行穩(wěn)定性[9]。首先在有限元軟件上提取滾筒的受力數(shù)據(jù),再導(dǎo)入MATLAB軟件中,利用傅里葉變換程序?qū)d荷進(jìn)行頻譜分析,程序中將采樣頻率設(shè)置為50 kHz。通過對(duì)5種截齒安裝角度的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析,發(fā)現(xiàn)滾筒受力的頻率段主要分布在600 Hz范圍內(nèi)。其中受力最大值的頻率范圍區(qū)間為20～40 Hz,例如,當(dāng)截齒安裝角度為45°和50°時(shí),受力最大值對(duì)應(yīng)的頻率分別為23.89 Hz和31.67 Hz。該結(jié)果對(duì)采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義,在開展設(shè)計(jì)工作時(shí),應(yīng)該盡量避免這些頻率段,在最大限度上降低滾筒工作時(shí)的振動(dòng)幅度。

3 不同截齒安裝角度時(shí)滾筒的截割比能耗

3.1 滾筒受力分析與優(yōu)化

除滾筒的受力及波動(dòng)情況以外,比能耗是描述滾筒綜合性能的另一個(gè)指標(biāo)[10]。截割比能耗的定義為采煤機(jī)滾筒開采獲得單位體積的煤礦物料需要消耗的總能量。滾筒消耗的總能量可以根據(jù)工作時(shí)的扭矩大小進(jìn)行求解計(jì)算。本模型中將煤壁簡(jiǎn)化為很小的顆粒模型,所以對(duì)截割獲得的顆粒數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可以得到截割獲得的煤礦物料體積。截割比能耗的具體計(jì)算公式如下。

(1)

式中,Hw為截割比能耗;n為截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度;t為滾筒工作的時(shí)間;Tm為滾筒工作時(shí)扭矩的平均值;Vm為在t時(shí)間內(nèi)截割得到的煤礦體積。

3.2 截割比能耗的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

為分析截齒安裝角度對(duì)截割比能耗的影響情況,根據(jù)上述的截割比能耗計(jì)算公式,結(jié)合有限元模型分析結(jié)果,計(jì)算了不同安裝角時(shí)的截割比能耗大小。滾筒在X、Y、Z三個(gè)方向的受力中,只有Z方向上的受力才對(duì)截割滾筒的扭曲產(chǎn)生影響,因此可以根據(jù)滾筒Z方向的受力大小計(jì)算其扭矩值。實(shí)際工作時(shí),滾筒上的截齒受力應(yīng)該均勻地分布在接觸面上,但為簡(jiǎn)化計(jì)算過程,本研究假設(shè)所有截齒上受到的作用力均作用在截齒的齒尖上。不同截齒安裝角時(shí)滾筒的扭矩及煤炭體積統(tǒng)計(jì)如圖7所示。另外,計(jì)算時(shí)將滾筒的旋轉(zhuǎn)速度全部設(shè)置為57 r/min,截割時(shí)間t全部設(shè)置為3.6 s。

圖7 不同截齒安裝角時(shí)滾筒的扭矩及煤炭體積統(tǒng)計(jì)Fig.7 Torque of drum and coal mine volume statistics with different pick installation angles

根據(jù)滾筒截割比能耗的計(jì)算公式及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),計(jì)算得到了不同截齒安裝角度時(shí),滾筒的截割比能耗數(shù)值,結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出,截齒安裝角度對(duì)滾筒截割比能耗有很大影響。隨著截齒安裝角度從40°～50°不斷增加,截割比能耗先逐漸降低,然后逐漸增加,中間存在一個(gè)最小值。當(dāng)截齒安裝角度為40°時(shí),截割比能耗達(dá)到最大值,數(shù)值為0.994,當(dāng)截齒安裝角度為45°時(shí),截割比能耗達(dá)到最小值,為0.896 5。所以,從截割滾筒的截割比能耗角度出發(fā),將截齒安裝角度設(shè)置為45°時(shí)最佳。

圖8 截齒安裝角度對(duì)滾筒截割比能耗的影響規(guī)律曲線Fig.8 Law curve of influence of pick installation angle on cutting ratio energy consumption of drum

4 采煤機(jī)滾筒實(shí)踐應(yīng)用效果分析

為了驗(yàn)證上文提出的滾筒截齒安裝角度設(shè)計(jì)的可靠性,根據(jù)上述方案,將其應(yīng)用到MG2×1607710-WD型采煤機(jī)工程實(shí)踐中。截至目前,滾筒在工程中的應(yīng)用時(shí)間已經(jīng)有一年有余,期間對(duì)滾筒的運(yùn)行情況進(jìn)行了細(xì)致的觀察記錄,結(jié)果發(fā)現(xiàn)滾筒整體運(yùn)行良好。通過對(duì)采煤機(jī)滾筒截齒安裝角度的優(yōu)化,產(chǎn)生的效益可從以下幾點(diǎn)闡述。

(1)采煤機(jī)滾筒運(yùn)行穩(wěn)定性提升。通過對(duì)不同截齒安裝角度的滾筒進(jìn)行受力分析,發(fā)現(xiàn)在截齒安裝角為45°時(shí),其受力平均值及受力統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到最低水平,意味著截齒整體受力更加平穩(wěn)、均勻,能在一定程度上提升滾筒運(yùn)行的穩(wěn)定性。通過對(duì)滾筒優(yōu)化前后的運(yùn)行情況進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)滾筒結(jié)構(gòu)的振動(dòng)效應(yīng)有很大改善,優(yōu)化后的滾筒故障率與優(yōu)化前相比降低了20%左右。

(2)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益方面。采煤機(jī)滾筒運(yùn)行穩(wěn)定性提升,故障率降低,說明企業(yè)能節(jié)省一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本,包括維修人員的成本、零部件檢修與更換成本等。更重要的是,設(shè)備故障率降低,意味著設(shè)備能投入正常工作的時(shí)間延長(zhǎng),能在一定程度上提升采煤機(jī)的運(yùn)行效率。通過對(duì)一年時(shí)間工作面的采煤數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的采煤機(jī)工作效率提升了5.6%左右,為企業(yè)創(chuàng)造了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。

總之,此次對(duì)采煤機(jī)滾筒截齒安裝角度的優(yōu)化改進(jìn)工作達(dá)到了預(yù)期效果,為采煤機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),獲得了相關(guān)專家和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的一致認(rèn)可,此經(jīng)驗(yàn)值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

以采煤機(jī)滾筒為研究對(duì)象,分析了截齒安裝角度這一關(guān)鍵參數(shù)對(duì)滾筒性能的影響規(guī)律,通過對(duì)比分析得到最優(yōu)結(jié)果。所得結(jié)論主要有:

(1)利用UG軟件建立采煤機(jī)滾筒的三維模型,利用PFC軟件建立滾筒截割煤壁的有限元模型。將模型分析結(jié)果與理論模型和實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)有限元模型可以準(zhǔn)確模擬截割過程。

(2)通過分析40°、42°、45°、47°和50°五種截齒安裝角度時(shí)滾筒的受力情況,發(fā)現(xiàn)角度為40°時(shí)滾筒的平均受力最大,而角度為45°時(shí)滾筒的平均受力最小,且標(biāo)準(zhǔn)差也最小,說明受力過程比較穩(wěn)定。

(3)對(duì)不同安裝角度的比能耗進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)隨著安裝角度的增加,比能耗先逐漸降低,然后緩慢上升,當(dāng)安裝角度為45°時(shí)比能耗最低。所以將安裝角度為45°時(shí)確定了最優(yōu)結(jié)果。

(4)將優(yōu)化后的滾筒部署到MG2×1607710-WD型采煤機(jī)工程實(shí)踐中,使得滾筒的故障率降低20%左右,采煤機(jī)工作效率提升5.6%左右。